神經(jīng)康復(fù)平臺系統(tǒng)總體設(shè)計

1、神經(jīng)康復(fù)平臺系統(tǒng)總體設(shè)計      【摘 要】 卒中導(dǎo)致的運動功能障礙以及抑郁等并發(fā)癥嚴(yán)重危害著人類的身心健康?！澳X10 年”最重要的研究成果之一就是發(fā)現(xiàn)了人類的中樞神經(jīng)系統(tǒng)(腦和脊髓)具有高度的可塑性(plasticity)。長期以來，以神經(jīng)發(fā)育促進(jìn)術(shù)為基礎(chǔ)的各種常規(guī)康復(fù)療法雖然有助于患者運動功能的恢復(fù)，但是效果還不盡如人意。 根據(jù)肌電觸發(fā)的神經(jīng)肌肉電刺激(neuromuscular electrical stimulation,NMES)能改善患者肢體功能的作用、小腦頂核電刺激(fastigial nucleus stimulation,

2、FNS)的神經(jīng)源性保護(hù)原理、脊髓電刺激(spinal cord stimulation, SCS)促使大腦動脈血流分布增高的效應(yīng)以及認(rèn)知重新學(xué)習(xí)法(cognitive relearning,CR)的心理康復(fù)作用，本文提出了一種新型的“物理+心理”的綜合康復(fù)療法，并研制了相關(guān)的康復(fù)平臺樣機。該樣機采用主從式結(jié)構(gòu)，下位機包括肌電采集、NMES、FNS&SCS 等功能相對獨立的電路模塊，并通過串口與上位機(PC)進(jìn)行通信。其中，NMES 模塊采用了一種低頻可調(diào)制方波作為電刺激波形；為了能有效地分離治療閾值與疼痛閾值，F(xiàn)NS&SCS 模塊則采用了隨機信號調(diào)幅的無極性中頻指數(shù)波；這兩種電

3、刺激波形均能解決對機體的適應(yīng)性問題。 本論文主要的研究內(nèi)容是基于PC 的康復(fù)平臺軟件的實現(xiàn)，按照軟件工程思想、采用統(tǒng)一建模語言(unified modeling language, UML)、面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計技術(shù)(oriented object programming, OOP)，本文具體運用BCB6.0 研究并設(shè)計了自動、人工、循環(huán)三種可視化的可交互的治療模式，為“物理+心理”療法的實現(xiàn)提供了軟件平臺的支持。同時利用數(shù)據(jù)庫、API函數(shù)、多線程、雙緩沖等技術(shù)完成了治療參數(shù)控制、串口通信、方案維護(hù)、病歷登記、復(fù)診登記、信息查詢、科室信息維護(hù)、繪圖參數(shù)設(shè)置等功能模塊。   【關(guān)鍵詞】

4、腦卒中；神經(jīng)肌肉電刺激；小腦頂核電刺激；脊髓電刺激；認(rèn)知重新學(xué)習(xí)法   Abstract The movement function diseases and such syndromes as depression etc resulted from the stroke all do badly harm to human beings health and mentality. Its well known that our nerve centre (brain & spinal cord) has the outstanding plasticity, which

5、is one of the most important discoveries of Brains 10-Years Plan. Although, some ordinary rehabilitation methods derived from facilitation technique can help the recovery of the patients movement ability, the clinical result is not satisfied.According to the improvement effect from the EMG-triggered

6、 neuromuscular electrical stimulation to the limbs,the principle of neurogenic neuroprotective electrical stimulation to the cerebella fastigial nucleus, the increase action to the cerebral artery blood stream from spinal cord stimulation and the positive mentality function from cognitive relearning

7、 method. The integration rehabilitation method of Physical & Mental is brought forward and the medical instrument sample has been developed.The designed therapy instrument adopts the framework of distributed control system that comprises the extension set and PC. The extension set comprises seve

8、ral correspondingly independent circuit modules as EMG collection,NMES and FNS&SCS, which all communicate with PC by the standard serial port. Moreover, NMES module use one of the low frequency modulating rectangle wave as the stimulation output, and in order to separate therapy threshold and ac

9、he threshold, FNS&SCS module make use of the random signal modulating and non-polar differential exponent medium frequency pulse signal as carrier wave. Both of them can effectively solve the adaptability problem of simulating waveform to the human body. This papers main work is the study of PC-

10、based rehabilitation platform software, which complies with Software Engineering, adopts Unified Modeling Language and Oriented Object Programming and uses BCB6.0. We finished three visualized and alternating treatment modes (auto, manual, circular) to afford the physical & mental therapy method

11、 for the patient. Utilizing database,API functions,multithread,double-buffer and other technologies, the platform software has been finished with many functions and modules, such as cure parameters control, cure project setting,serial port communication, case register, re-enroll case, patient inform

12、ation query,department information maintenance,drawing parameters setting etc.Keywords Stroke; Neuromuscular electrical stimulation; Fastigial nucleus stimulation; Spinal cord stimulation; Cognitive re-learning   認(rèn)知重新學(xué)習(xí)法（CR）是源于國外一個全新的概念，它已經(jīng)被證實不僅是一種有效的腦卒中康復(fù)方法，而且還具有獨特的心理輔助治療作用。CR的一般作用方式是以自發(fā)肌電所觸發(fā)的

13、NMES 等生物反饋法為基礎(chǔ)，讓患者盡力思考，增加中樞神經(jīng)對瘓肢的控制，增加癱瘓肌肉的肌電水平，從而在達(dá)到或超過儀器所設(shè)定閾值后能夠觸發(fā)電刺激。如此反復(fù)作用，一方面，也會使患者意識到這是自己主動想象的結(jié)果，從而更加努力運動，可以增強治療信心，明顯改善抑郁情緒；另一方面，隨著患者認(rèn)知心理的重新學(xué)習(xí)和恢復(fù)，不僅可以促進(jìn)腦部功能的重新組織，還可以激活一些原來閑置不用的神經(jīng)通路，使其能夠替代已受損的神經(jīng)功能，從而使新的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得以建立，肢體功能最終得以恢復(fù)。   1 系統(tǒng)總體設(shè)計的原則和思路   1.1 設(shè)計原則   現(xiàn)代醫(yī)療儀器的設(shè)計原則一般包括：信號因素、環(huán)境因素、醫(yī)

14、學(xué)因素、經(jīng)濟(jì)與時代因素5 個方面，這也是本文全部設(shè)計工作的基本準(zhǔn)則。毋庸置疑，現(xiàn)代醫(yī)療儀器的一個重要發(fā)展方向是數(shù)字化和智能化；而且隨著“以人為本”醫(yī)療理念的逐步深入，微創(chuàng)、無創(chuàng)的治療方式更易于讓患者、醫(yī)院以及社會所接受。 1.2 設(shè)計思路 無創(chuàng)性的要求：傳統(tǒng)的電刺激以有創(chuàng)傷的方式為主，比如單獨植入電極或全部植入刺激電極、脈沖發(fā)生器和導(dǎo)聯(lián)線等，這不僅加深了病人的痛苦，使其產(chǎn)生抵觸心理，而且也會引起交叉感染等。   由于近年來采用表面電極的電刺激療法(比如NMES 或TENS 等)在腦卒中康復(fù)工作中取得了良好的效果，所以，本康復(fù)平臺所有的電刺激均通過表面電極來實現(xiàn)。有效性的要求：所研制的

15、康復(fù)平臺以肌電觸發(fā)的NMES 為主，以經(jīng)皮的FNS 和SCS 為輔，并利用計算機技術(shù)為CR 療法提供實現(xiàn)的手段，期望通過上述“物理+心理”療法促使患者運動功能、腦神經(jīng)以及心理功能全面有效的康復(fù)。安全性的要求：首先，相關(guān)電路模塊的電氣安全是設(shè)計中需要始終貫穿的問題；其次，探討并選取安全、合適的電刺激波也是保證療效的關(guān)鍵。直觀性的要求：為了使患者和醫(yī)護(hù)人員能夠觀察所采集到的肌電、治療參數(shù)等數(shù)據(jù)，借以發(fā)揮視覺信號的心理反饋作用，該平臺需要配置一臺能旋轉(zhuǎn)的15”/17”的顯示器(CRT 或LCD，分辨率1024*768，256 色以上為宜)。模塊化的要求：考慮系統(tǒng)功能的擴展和后期臨床實驗的要求，應(yīng)該將

16、相關(guān)電路和軟件設(shè)計成相對獨立的模塊，這樣便于組裝和維護(hù)。信息化的要求：康復(fù)平臺的軟件系統(tǒng)不只局限于為心理療法和治療控制提供支持，還應(yīng)該提供病歷登記、信息查詢、治療方案維護(hù)等軟件功能，以便將來診斷工作以及科室間的信息共享工作的開展。人性化的要求：應(yīng)注重醫(yī)護(hù)人員使用的簡便性，比如，軟件中的各種治療參數(shù)要易于維護(hù)和控制；另外，成型后的儀器樣機也能在病房和科室間移動?？蓴U展性的要求：由于所提出的創(chuàng)新性的康復(fù)方法需要臨床實驗進(jìn)行驗證，所以在軟硬件的設(shè)計中應(yīng)該盡量采用便于功能擴展的技術(shù)和方法。 2 設(shè)計策略與技術(shù)路線 2.1 設(shè)計策略 當(dāng)前數(shù)字醫(yī)療儀器的設(shè)計結(jié)構(gòu)和方式有以下幾種：采用傳統(tǒng)的基于單片機或DS

17、P(數(shù)字信號處理器)控制的一體化式結(jié)構(gòu)，體積小巧，結(jié)構(gòu)緊湊，但功能不夠強大，難于維護(hù)和升級。運用新興的虛擬儀器(virtual instruments, VI)技術(shù)，雖然設(shè)計周期短，技術(shù)更新快，但是專業(yè)軟硬件設(shè)備的成本過高，也不符合儀器的后期小型化的需求。 使用當(dāng)前流行的嵌入式技術(shù)(embedded technology，ET)，那么僅在嵌入式系統(tǒng)的移植、搭建交叉編譯環(huán)境、驅(qū)動與GUI 設(shè)計等方面就會耗費大量的時間和精力；此外市場上能符合本系統(tǒng)性能要求的開發(fā)板也是寥寥無幾，價格不菲。采用模塊化電路結(jié)合PC 的方式，首先在制定好通信接口與協(xié)議的前提下，電路模塊和軟件系統(tǒng)可以分別獨立設(shè)計；其次電路

18、模塊可以采用成熟的技術(shù)來實現(xiàn)(如51 單片機)，而且PC 價格低廉，設(shè)計資料豐富；最后成型的電路模塊分別與PC 上的軟件進(jìn)行聯(lián)調(diào)組裝即可。此外，這種方式也便于今后向工控機上移植。根據(jù)上述分析，作者借鑒了多參數(shù)生理監(jiān)護(hù)儀和B 超工作站的設(shè)計方式，采用這種電路模塊結(jié)合PC 的主從式結(jié)構(gòu)以及“總分總”的設(shè)計策略，即先進(jìn)行總體設(shè)計，再分別實現(xiàn)各個軟/硬件模塊，最后修改、調(diào)試、組裝，完成樣機。 2.2 技術(shù)路線 本設(shè)計主要的技術(shù)路線如下所述：康復(fù)平臺總體采用上述“主從式”結(jié)構(gòu)，下位機的各個電路采用模塊化設(shè)計方法；上位機(PC)的軟件系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)治療參數(shù)控制，進(jìn)行視覺信號反饋等。具體而言，下位機應(yīng)該至少包括肌電采集、NMES、FNS 以及SCS 電路，并統(tǒng)一使用MCS51作為主控單片機；考慮到所需要的肌電信號的頻率范圍，上下位機間通過標(biāo)準(zhǔn)的RS232 串口進(jìn)行通信即可?？紤]到一般的PC 配置有兩個串口，所以可以把作為主要治療手段的NMES 模塊以及采集電路與串口1 連接，而將作為輔助治療方法的 FNS、SCS 合并為一個模塊并且與串口2 相連。上位機軟件主要實現(xiàn)以下功能：借助軟件所提供的視覺反饋引出CR 的心理作用，即肌電信號超過預(yù)定閾值后能觸發(fā)NMES 的反饋作用；通過串口控制采集電路和刺激電路模塊；提供病歷登記、信息查詢、治療參數(shù)維護(hù)等功能模塊。成型后的樣